第一章：计算机网络概述（计算机网络-王道笔记）

第一章：概述

1.计算机网络基础概念

1.1 计算机网络的概念

计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络是互连(互联互通)的、自治(无主从关系)的计算机集合。

1.2 计算机网络的功能

1. 数据通信(连通性)
2. 资源共享 (硬件，软件，数据)
3. 分布式处理(多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分)
4. 提高可靠性(替代机)
5. 负载均衡(各计算机之间更亲密)

1.3 计算机网络的组成

1. 组成部分：硬件、软件、协议

1.4 计算机网络的分类

1. 按分布范围分类：广域网 WAN（交换技术）、城域网 MAN、局域网 LAN（广播技术）、个人区域网 PAN

2. 按使用者分类：公用网（中国电信等）、专用网（军队、政府等）

3. 按交换技术分类：电路交换、报文交换、分组交换

4. 按拓扑结构分类：总线型、星型、环型、网状型（常用于广域网）

5. 按传播技术分类：广播式网络（共享公共通信信道）、点对点网络（使用分组存储转发和路由选择机制）

2.标准化工作

2.1 相关组织

国际标准化组织 ISO	OSI 参考模型、HDLC 协议
国际电信联盟 ITU	制定通信规则
国际电器电子工程师协会 IEEE	学术机构、IEEE802 系列标准、5G
Internet 工程任务组 IETF	负责因特网相关标准的制定 RFC XXXX

3.性能指标

3.1 速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率

比特：1/0 位

速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。

单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s

单位换算：
$$\begin{array}{rl}速率：& 1Tb/s=10^{3}Gb/s=10^{6}Mb/s=10^{9}kb/s=10^{12}b/s\\ 存储容量：& 1Byte=8bit\\ & 1TB=2^{10}GB=2^{20}MB=2^{30}KB=2^{40}B=2^{40}\ast 8b\end{array}$$

3.2 带宽

1. 计算机网络中，带宽用来网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"。单位比特每秒。
   网络设备所支持的最高速率。

3.3 吞吐量

吞吐量:表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。单位 b/s，kb/s，Mb/s 等。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

3.4 时延

时延：指数据(报文/分组、比特流)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。

$$\begin{array}{rl}发送时延& =\frac{数据长度}{信道带宽(发送速率)}\\ 传播时延& =\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}\end{array}$$

3.5 时延带宽积

$$\begin{array}{r}时延带宽积(bit)=传播时延(s)\times 带宽(b/s)\end{array}$$

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

即“某段链路现在有多少比特”。

3.6 往返时延 RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认）总共经历的时延。

RTT 越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。

3.7 利用率

$$\begin{array}{rl}信道利用率& =\frac{有数据通过时间}{(有+无)数据通过时间}\\ 网络利用率& =信道利用率加权平均值\end{array}$$

4.分层

4.1 怎么分层？

1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
3. 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
5. 整个分层结构应该能促进标准化工作。

4.2 正式认识分层结构

1. 实体：第 n 层的活动元素称为 n层实体。同一层的实体叫对等实体。

2. 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。【水平】

3. 接口（访问服务点 SAP）：上层使用下层服务的入口。

4. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】

   SDU 服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。

   PCI 协议控制信息：控制协议操作的信息。

   PDU 协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。

4.3 7 层OSI 参考模型

下三层是点对点通信，上四层是端对端通信。

4.3.1 应用层

所有能和用户交互产生网络流量的程序。

典型应用层服务:文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、万维网（HTTP）。

4.3.2 表示层

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）。

功能一：数据格式变换。（翻译官）

功能二：数据加密解密。

功能三：数据压缩和恢复。

4.3.3 会话层

向表示层实体/用户提供建立连接并在连接上有序地传输数据。

这是会话，也是建立同步（SYN）。

功能一：建立、管理、终止会话。

功能二：使用校验点可使会话在通信生效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步。

适用于传输大文件。

主要协议：ADSP，ASP

4.3.4 传输层

负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据段。

功能一：可靠传输、不可靠传输。

功能二：差错控制。

功能三：流量控制。

功能四：复用分用。

复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。

分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

主要协议：TCP，UDP

4.3.5 网络层

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

功能一：路由选择。最佳路径

功能二：流量控制。

功能三：差错控制。

功能四：拥塞控制。

主要协议：IP，IPX，ICMP，IGMP，ARP，RARP，OSPF

4.3.6 数据链路层

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路层/链路层的传输单位是帧 。

功能一：成帧（定义帧的开始和结束）。

功能二：差错控制。帧错+位错

功能三：流量控制。

功能四：访问（接入）控制。控制对信道的访问

主要协议：SDLC，HDLC，PPP，STP

4.3.7 物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层传输单位是比特。

透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。

功能一：定义接口特性。

功能二：定义传输模式。单工、半双工、双工

功能三：定义传输速率。

功能四：比特同步。

功能五：比特编码。

主要协议：Rj45、802.3

4.4 TCP/IP 参考模型

与 OSI 的相同点：

1. 都分层。
2. 基于独立的协议栈的概念。
3. 可以实现异构网络互联。

与 OSI 的不同点：

1. OSI 定义三点：服务、协议、接口。

2. OSI 先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议。

3. TCP/IP 设计之初就考虑到异构网互联问题，将 IP 作为重要层次。

4. 如表所示。

   	ISO/OSI 参考模型	TCP/IP 模型
   网络层	无连接 + 面向连接	无连接
   传输层	面向连接	无连接 + 面向连接

   面向连接分为三个阶段：

   • 第一阶段，建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。
   • 第二阶段，只有在连接成功之后，才能开始数据传输。
   • 第三阶段，当数据传输完毕，必须释放连接。

   面向无连接：没有这么多阶段，直接进行数据传输。

4.5 5 层参考模型

	功能	主要协议	传输单位
应用层	支持各种网络应用	FTP、SMTP、HTTP	报文
传输层	进程-进程的数据传输	TCP、UDP	报文段
网络层	源主机到目的主机的数据分组路由与转发	IP、ICMP、OSPF	数据报
数据链路层	把网络层传下来的数据报组装成帧	Ethernet、PPP	帧
物理层	比特传输		比特